Столетняя история Bell Labs — это цепочка технологических прорывов: транзистор в 1947 году, Unix, язык C, первый практичный солнечный элемент, лазер. За это лаборатория получила десять Нобелевских премий и множество других наград. Сегодня, уже в составе Nokia, Bell Labs снова оказалась на переднем крае — на этот раз в области фотонных квантовых вычислений и квантово-устойчивых сетей.
В сентябре команда с участием Nokia Bell Labs, а также университетов Принстона, Рутгерса и Роуэна вошла в число 15 финалистов программы Engines Национального научного фонда США (NSF) — из почти 300 поданных заявок. Проект посвящён развитию фотоники.
Почему именно фотоны
В отличие от сверхпроводящих схем, захваченных ионов и отжигающих квантовых компьютеров, которым для работы требуются криогенные температуры, фотоны от природы устойчивы к перепадам температуры и другим внешним воздействиям. Это значит, что кубиты на основе фотонов теоретически могут работать при комнатной температуре и с более низким уровнем ошибок.
«Магнитное поле может повлиять на электрон, а на фотон — нет, — объясняет Тод Сайзер, исполнительный вице-президент и руководитель направления оптических систем и устройств Nokia Bell Labs. — Тепло влияет на скорость колебаний электрона, но к фотонам это не относится. Есть базовая физика, которая делает фотоны более устойчивыми к среде».
Правда, сам процесс детектирования фотонов пока всё равно требует криогенных температур — по крайней мере, сегодня. «Холод нужен не квантовому компьютеру, а только для того, чтобы получить результат», — уточняет Сайзер.
Компании, работающие с нефотонными подходами, вынуждены параллельно совершенствовать коррекцию ошибок, чтобы масштабировать свои системы. «Мы предпочли бы вообще обойтись без коррекции ошибок, — говорит Сайзер. — Лучше использовать все кубиты для вычислений, а не для исправления того, что должно было быть верным с самого начала». Это не значит, что фотонным компьютерам коды коррекции не понадобятся вовсе — но, по его словам, не в тех масштабах, что требуются другим архитектурам.
Ещё один плюс фотонного подхода — отрасль уже умеет работать с фотонами: коммуникационная инфраструктура на них и построена, а запутанные фотоны успешно передавались по обычному оптоволокну. Чипы уже производят с волноводами — металлическими или стеклянными каналами для перемещения фотонов, которые полупроводниковые фабрики встраивают прямо в пластины для ускорения передачи данных внутри вычислительных систем и между ними. По словам Сайзера, это делает производство фотонных квантовых компьютеров реалистичной задачей: «Технологии, отработанные для кремния, позволяют нам создавать эти сложные устройства уже сегодня».
Bell Labs строит собственные фотонные кубиты силами штатных квантовых оптических инженеров и физиков устройств — первых специалистов наняли около четырёх лет назад. Цель, подчёркивает Сайзер, не в том, чтобы Nokia начала продавать квантовый компьютер, а в фундаментальных исследованиях, продвигающих всю область вперёд.
Побочная выгода для обычных сетей
Часть наработок по фотонике уже сегодня даёт коммерческий эффект: она позволит существующим оптическим сетям передавать значительно больше данных при меньшем энергопотреблении. «Через десять лет объём информации вырастет в сто раз, — говорит Сайзер. — Поэтому нам нужны сети, способные выдержать такой рост, причём с оглядкой на стоимость».
Исследования Bell Labs в области квантового детектирования фотонов уже сейчас позволяют передавать их на значительно большие расстояния и кодировать по 14 бит информации в одном фотоне — раньше на один бит требовалось десять фотонов. Как отмечает Азимэ Сефидсон, вице-президент и руководитель направления сетевых систем и безопасности Nokia Bell Labs, это резко снижает энергозатраты — причём не только для классических, но и для квантовых сетей связи, делая их масштабируемее и дешевле.
Аналитик Appledore Research Лука Де Маттеис называет фотонную квантовую работу Nokia Bell Labs не маркетинговым ходом, а реальной экспертизой: «Немногие игроки обладают таким пониманием и опытом в оптических сетях, как Nokia».
Гонка обостряется
Bell Labs далеко не единственный игрок в фотонных вычислениях. В апреле агентство перспективных оборонных исследований США (DARPA) отобрало компанию Xanadu, специализирующуюся на фотонных квантовых компьютерах, в число 15 участников своей инициативы Quantum Benchmarking Initiative. Среди других разработчиков в этой нише — PsiQuantum, ORCA, Quandela, QuiX Quantum, Photonic, Quantum Computing, AEGIQ, Duality Quantum Photonics, Ephos, g2-Zero, Quantum Source, QC82 и QBoson.
В сентябре PsiQuantum привлекла 1 млрд долларов финансирования, поставив цель построить фотонный компьютер на миллион кубитов к концу 2027 года. Тогда же китайская QBoson представила фотонный квантовый компьютер на 1000 кубитов, уже доступный клиентам через облако, — месяцем ранее компания заложила завод для серийного производства таких систем. По данным QBoson, её облачная платформа, ранее ограниченная 550 и 100 кубитами, уже обработала 68 млн вычислительных задач для более чем 10 тысяч разработчиков и свыше 900 университетов и колледжей; порог в 1000 кубитов открывает практические задачи вроде проектирования молекул лекарств.
Аналитики Research and Markets в сентябрьском отчёте оценили глобальный рынок фотонных квантовых вычислений как одно из самых перспективных направлений квантовых технологий: к 2030 году его объём должен достичь 1,1 млрд долларов, а к 2036 году — превысить 7 млрд долларов.
«Мне нравится фотонный подход, потому что мы давно умеем работать с фотонами, — говорит Шридхар Таюр, профессор операционного менеджмента бизнес-школы Tepper при Университете Карнеги — Меллона. — К тому же это комнатная температура, поэтому я отдаю предпочтение фотонике». То, что такие системы можно строить на существующей полупроводниковой технологии, по его словам, — дополнительный плюс: «Мы понимаем эту инженерию, и я знаю, что она будет намного экономичнее». А поскольку квантовая связь и так строится на запутанных фотонах, объединять несколько фотонных компьютеров в сеть будет проще, чем компьютеры на сверхпроводящих схемах или захваченных ионах.
Впрочем, насколько заметной окажется роль именно Nokia Bell Labs в этой гонке — вопрос открытый. «Расцвет Bell Labs пришёлся на 1930–1970-е годы, — вспоминает Таюр. — Я проходил там стажировку в 1988 году и помню, что это была почти священная земля: приветственную речь произносил нобелевский лауреат-физик. Ощущалось, что находишься на переднем крае человеческого знания. Не уверен, что последние 25 лет несли тот же блеск, что был раньше».
Источник: NetworkWorld.